Виртуальные симуляторы – мультимедийные анимационные имитаторы, предназначенные для имитации изменения состояний физического оборудования при различных условиях и создающие иллюзию действий с физической аппаратурой. Основной их особенностью является максимально полное воспроизведение внешнего вида физических устройств и элементов управления ими, а также движения отдельных элементов в соответствии с происходящими физическими процессами.
Важное место в содержании обучения и вформировании профессиональных компетенций будущих специалистов отводится освоению умений и навыков на основе теоретических знаний, приобретенных в ходе аудиторных занятий, в том числе знаний и опыта из различных областей науки и техники. Однако существует ряд причин, снижающих эффективность обучения и приобретения студентами и курсантами практических навыков в рамках учебного процесса [1]:
–внекоторых высших учебных заведениях нет возможности обеспечить студентов необходимым количеством физически реальных учебных средств, с помощью которых будущий специалист приобрел бы практические навыки, усвоив при этом ранее полученные теоретические знания;
–изучаемая на практических занятиях специальная техника дорогостоящая, нередко в наличии в единственном экземпляре, что препятствует ее массовому использованию;
–скоротечность протекания исследуемых процессов в изучаемых объектах может быть настоль велика, что обучаемый не успевает зафиксировать и осмыслить произошедшие изменения;
–проведение практических занятий на реальной специальной технике, учитывая повышенную опасность отдельных изучаемых средств может быть опасно для обучаемых, не обладающих устойчивыми практическими навыками.
Оценивание виртуального симулятора, предназначенного для формирования устойчивых профессиональных навыков эксплуатации изучаемой специальной техники, осуществляется в соответствии со следующими требованиями:
–дидактические требования [5]:
?соответствие методов обучения особенностям формирования у обучаемых профессиональных знаний, умений и навыков;
?возможность многократного самостоятельного выполнения операций обучаемым;
?наглядность обучения;
?самостоятельность и активность курсантов и студентов при работе на виртуальном симуляторе;
?индивидуализация обучения;
–эргономические требования [7]:
?эргономичность виртуального симулятора, соответствие форм и размеров изображения на мониторе зрительным возможностям обучаемого;
?достаточность информации для формирования практических навыков;
?возможность формирования навыка за отведенное на виртуальном симуляторе время согласно гигиеническим требованиям;
–технические требования [4]:
?надежность программных средств виртуального симулятора;
?адекватность функционирования виртуального симулятора функционированию реального объекта изучения;
?соответствие временных режимов выполнения операций на виртуальном симуляторе и на реальном объекте;
?возможность реализации программных средств как для отдельного персонального компьютера, так и для сети персональных компьютеров;
?исключение несанкционированных действий обучаемых.
Задачи, структура и состав учебно-тренажерных средств симуляторного типа определялись в соответствии с Методическими рекомендациями по реализации требований к создаваемым в рамках ФЦП «Развитие инфраструктуры наноиндустрии в Российской Федерации» симуляторам учебно-научных комплексов, включающим уникальные научные установки, функционирующие в режиме удаленного доступа [6].
Назначение симулятора
Симулятор специальной техники предназначен для:
ознакомления обучаемого с внешним видом, устройством, режимами работы оборудования изучаемого объекта;
получения навыков проведения подготовительных (заключительных) работ и настройки режимов функционирования оборудования изучаемого объекта;
моделирования выполнения технологических процессов специальной техники.
Основные задачи, решаемые с использованием виртуальных симуляторов
Ознакомительно-познавательные:
изучение состава, назначения и режимов функционирования специальной техники; контроль и оценка уровня полученных знаний обучаемых.
Получение навыков выполнения подготовительных (заключительных) операций на специальной технике:
выполнение всего комплекса подготовительных (заключительных) операций на виртуальной модели, отражающей внешний вид специальной техники и реализующей возможность воздействий на органы управления;
контроль полученных навыков, в т.ч. с фиксированием ошибочных действий и нарушений правил и мер безопасности.
Методическое сопровождение использования виртуальных симуляторов изучаемой специальной техники:
формирование сценария работы специальной техники;
разработка методических материалов по организации образовательного процесса с использованием виртуальных симуляторов специальной техники;
учёт результатов подготовки и допуска к работе обучаемых на реальном объекте изучения.
Составные модули виртуального симулятора
1.Ознакомительный модуль
общие сведения о специальной технике, включая:
–внешний вид специальной техники и ее составных частей с указанием названия, функционального назначения, принципов действия и основных характеристик;
–проверку знаний обучаемых с использованием тестов.
2.Обучающий модуль
«Подготовка специальной техники»:
–подготовка специальной техники к работе, начиная с включения электропитания, запуска обеспечивающих элементов и т.д.;
–настройка режимов работы специальной техники.
3.Информационно-аналитический модуль
–размещение виртуального симулятора специальной техники в локальной сети военного вуза;
–использование виртуального симулятора специальной техники при проведении практических занятий;
–проведение других видов учебных занятий, в том числе с использованием технологий дистанционного обучения;
справочные материалы, включающие:
–полное название виртуального симулятора;
–краткое и полное описание работы специальной техники;
–фото- и видео специальной техники;
–демонстрационный виртуальный образец специальной техники;
–указание занятий, на которых необходимо применение виртуальных симуляторов специальной техники; инструкции по технике безопасности проведения операций на специальной технике;
–план проведения практических занятий;
–календарный план (расписание) проведения занятий;
–необходимую дополнительную информацию, касающуюся проведения занятий на специальной технике.
Общей задачей моделирования при разработке симулятора является создание виртуального образа, максимально достоверно имитирующего функционирование физического объекта. Для обеспечения достоверности виртуального образа необходимо, прежде всего, обеспечить визуальное сходство интерфейса симулятора и его адекватную интерактивную реакцию на управляющие воздействия обучаемого, выступающего в роли оператора спецустановки [3].
Адекватная реакция программы на действия обучаемого, учитывая сложность физических процессов, протекающих в разветвленной схеме спецустановки, может быть обеспечена только при использовании в алгоритме программы симулятора математической модели, детального описания физических процессов, происходящих в системах специальной техники. Таким образом, при разработке виртуального симулятора реализуются основные положения методики обоснования параметров учебно-тренажерных средств.
На первом этапе формулируются основные требования к создаваемому программному продукту:
–визуальное сходство интерфейса программы симулятора с пультом управления специальной техники;
–интуитивно понятные приемы воздействия на органы управления и адекватная, ожидаемая реакция ассоциируемых с ними графических объектов интерфейса программы;
–достоверные хронометрические характеристики отклика математической модели процессов, протекающих в имитируемой схеме;
–схожее с реальным графическое представление результатов расчета в виде имитации работы контрольно-измерительных приборов, расположенных на пульте управления специальной техники;
–адекватная (соответствующая реальной) реакция программы на неправильные (не предусмотренные инструкцией по эксплуатации специальной техники) действия обучаемого.
На втором этапе с учетом заданных требований формируется модульная структура, представленная на блок-схеме (рис.1).
Графический интерфейс программы воспринимает управляющие воздействия обучаемого на графические объекты, ассоциируемые с органами управления специальной техники, и формирует поток данных изменяющихся координат графических объектов. Визуальный облик данного интерфейса может представлять собой обработанное фотографическое изображение моделируемого узла.
На третьем этапе осуществляется алгоритмическое наполнение модулей программы виртуального симулятора.
Модуль интерпретации графических данных преобразует графическую информацию, поступающую в него в виде изменяющихся координат, в значения физических величин, характеризующих управляющие воздействия оператора.
Рис. 1. Структура программы виртуального симулятора
Например, при воздействии на графический объект, ассоциируемый с запорным вентилем, угол поворота графического изображения вентиля преобразуется в соответствующее изменение пневматического сопротивления соответствующего вентиля потоку газа, что прописывается языком программирования в среде C++Builder (рис.2).
Модуль визуализации результатов расчета преобразует физические величины, полученные в результате математического моделирования физических процессов, протекающих в технологической схеме специальной техники, в графический вид. Например, рассчитывает угол поворота стрелки манометра для вывода информации через графический интерфейс в зависимости от величины давления на данном участке схемы [1].
Рис. 2. Фрагмент модуля интерпретации графических данных, обрабатывающего поворот вентиля
Модуль расчета содержит алгоритм, построенный на основе комплексной математической модели детального описания физических процессов, происходящих в системах специальной техники, например, осуществляющий расчет параметров состояния газа в любой точке его технологической схемы применительно к реальному и трансформируемому масштабу времени [2].
Разработка комплексной математической модели, описывающей поведение схемы моделируемой установки, пригодной для алгоритмического описания и функционирования применительно к реальному и изменяемому масштабу времени, является наиболее сложной задачей при создании виртуального симулятора. Для математического описания разветвленной технологической схемы предложено применить метод конечных элементов, разбив схему на соответствующие контуры, обладающие объемом. Метод конечных элементов является сеточным методом, предназначенным для решения задач микроуровня, для которого модель объекта задаётся системой дифференциальных уравнений в частных производных с заданными краевыми условиями [8].
Таким образом, использование предложенного методического обеспечения при разработке виртуальных симуляторов, включающего методику обоснования структуры учебно-тренажерных средств изучаемой специальной техники и программно-алгоритмическое обеспечение виртуальных симуляторов, будет способствовать в интересах процедур разработки научному обоснованию создания учебно-тренажерных средств обучения специалистов в системе высшего образования.